碳化硅二極管正向電壓的退化

  如果使用合適的邊緣結(jié)終端和鈍化技術(shù)，SiC器件的反向偏壓工作將很穩(wěn)定，在碳化硅 PIN二極管正向偏壓工作時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)重要的現(xiàn)象，并且引起了對(duì)長(zhǎng)時(shí)間工作的穩(wěn)定性和可靠性問(wèn)題的研究。根據(jù)觀察，當(dāng)pn結(jié)長(zhǎng)時(shí)間處于正向偏壓時(shí)，開(kāi)態(tài)壓降會(huì)隨時(shí)間增加，如圖1所示。這些器件顯示正向偏壓退化的持續(xù)時(shí)間從幾毫秒到幾個(gè)小時(shí)。PiN二極管開(kāi)態(tài)壓降(V_F)的變化對(duì)于穩(wěn)定性十分重要，因?yàn)檫@將導(dǎo)致電流熔化點(diǎn)和局部電流過(guò)大。如果一個(gè)二極管的一部分相比于其他區(qū)域有更低的導(dǎo)通電壓，電流就會(huì)轉(zhuǎn)移聚集到低V_F區(qū)域。這將會(huì)導(dǎo)致器件的一小部分有過(guò)大的電流密度，而器件的其他部分電流密度很低，整個(gè)二極管熱的分布不穩(wěn)定，這種情況會(huì)使并聯(lián)的器件變得不可靠。

 
  經(jīng)歷V_F退化的PiN二極管的光學(xué)觀察結(jié)果顯示，這些二極管中具有材料缺陷形成的“伴生物”，如圖2所示。對(duì)于這種稱為“亮線缺陷”的現(xiàn)象最早由 Konstantinov在參考文獻(xiàn)中報(bào)道，因?yàn)檫@些缺陷都是以移動(dòng)的亮線形式出現(xiàn)。這種情況類似早先研究GaAs發(fā)光器件時(shí)，發(fā)現(xiàn)的“暗線缺陷”，這種情況就是由于非平衡載流子注入和晶格應(yīng)變產(chǎn)生的位錯(cuò)生長(zhǎng)，導(dǎo)致了相似的正向偏壓退化現(xiàn)象。許多研究都一致表明，移動(dòng)且擴(kuò)散的晶格層錯(cuò)缺陷是PiN二極管正向偏壓退化的主要原因。這個(gè)缺陷將會(huì)擴(kuò)散到整個(gè)n-基區(qū)。最初認(rèn)為，V_F的增加是由于層錯(cuò)形成的復(fù)合中心導(dǎo)致的載流子壽命減少。但是，現(xiàn)在很多研究結(jié)果表明，V_F的增加導(dǎo)致了層錯(cuò)的形成，這引起了電流流動(dòng)的勢(shì)壘并減小了傳導(dǎo)區(qū)面積。在單晶SiC的原子堆垛順序中，堆垛層錯(cuò)是二維缺陷。  
  圖3顯示了同一個(gè)芯片上兩個(gè)相鄰的0.015²二極管，不同間隔下一系列退化的光發(fā)射圖像。這些光學(xué)現(xiàn)象與載流子壽命的測(cè)試方法有關(guān)，測(cè)試的方法應(yīng)用了高di/dt和低di/dt情況時(shí)的關(guān)斷反向恢復(fù)波形。這個(gè)結(jié)果說(shuō)明有效本征區(qū)載流子壽命沒(méi)有減少，而V_F的退化是由于電路導(dǎo)通面積的減小造成的。圖4(a)和(b)顯示了同一個(gè)二極管的正向壓降退化和反向恢復(fù)電流(圖2和3顯示的)。圖4(a)和(b)中的箭頭標(biāo)明了時(shí)間。圖3(a)中的菱形區(qū)域說(shuō)明了層錯(cuò)源于表面，大概源于pn結(jié)。因?yàn)樽罡叩倪^(guò)剩載流子濃度位于pn結(jié)附近，所以圖4(a)中的器件迅速退化。圖3(b)標(biāo)出的黑色三角形區(qū)域說(shuō)明了n⁺/n^-結(jié)附近生長(zhǎng)的層錯(cuò)。白線部分表明沒(méi)有位錯(cuò)，黑色區(qū)域說(shuō)明了電流減小。圖4(b)顯示，器件的退化在開(kāi)始時(shí)很慢，這是因?yàn)閷渝e(cuò)靠近本征區(qū)的底部，而這個(gè)區(qū)域的過(guò)剩載流子濃度很低，然后由于過(guò)剩載流子濃度相對(duì)較高的表面上層錯(cuò)接近pn結(jié)，退化速度增加。  
  對(duì)于這些位錯(cuò)的基本特性、來(lái)源和傳播方式，許多研究者進(jìn)行了廣泛的研究，現(xiàn)在已經(jīng)確定這些位錯(cuò)源于襯底六角形SiC(如4H和6H)晶格缺陷。當(dāng)三個(gè)不同的原子面以特殊的順序進(jìn)行堆疊時(shí)，形成了SiC多晶六角形晶格結(jié)構(gòu)。與其相對(duì)的是立方SiC(3C)，立方SiC是僅由兩個(gè)原子B堆疊形成的二維結(jié)構(gòu)。因此，4H-SiC和6H-SiC晶格在室溫處于亞穩(wěn)態(tài)，如果有一個(gè)合適的成核位置，就可以轉(zhuǎn)變成類似3C結(jié)構(gòu)的局部缺陷。這種情況的出現(xiàn)需要一定種類和濃度的成核位置，也需要以電子-空穴對(duì)復(fù)合形式存在的活化能?？刂七@些缺陷的來(lái)源和擴(kuò)散，在于控制形成這些缺陷成核位置的已有缺陷。
 
  相對(duì)于非退化pn二極管在禁帶附近形成的紫光光譜，電致發(fā)光的光譜分析顯示，這些亮線代表的缺陷發(fā)光為紅光和近紅外線光譜區(qū)域。這些缺陷是與晶格位錯(cuò)相關(guān)的線性缺陷網(wǎng)絡(luò)，它的形成不可逆轉(zhuǎn)，并將擴(kuò)散并穿過(guò)二極管區(qū)域。這些堆疊缺陷層的成核位置最先出現(xiàn)在小角度晶界，在其他襯底和表面缺陷之中。觀測(cè)到生成的層錯(cuò)被Shockley局部位錯(cuò)所限制，其中伯格斯矢量為b=1/3<10`10>。這表明缺陷通過(guò)三角形或者菱形結(jié)構(gòu)進(jìn)行擴(kuò)散，其邊界沿(11 `20)方向。當(dāng)二極管保持在正向偏壓狀態(tài)時(shí)，這些循環(huán)結(jié)構(gòu)增加而且擴(kuò)散。光譜測(cè)試說(shuō)明層錯(cuò)的發(fā)射光譜范圍為(450士20)nm，而且貫穿的位錯(cuò)在(700士20)nm范圍。計(jì)算所得局部位錯(cuò)的擴(kuò)散活化能在(0.27士0.02)eV范圍。實(shí)驗(yàn)中，這些缺陷的擴(kuò)散速度為7×10^-5m/s。

  數(shù)值為0.27eV的活化能是夠小的值，大多數(shù)的成核位置會(huì)導(dǎo)致這些缺陷的形成，而且會(huì)導(dǎo)致某些PiN二極管開(kāi)態(tài)壓降的退化。因此，解決方案在于減小器件有效部分的缺陷。一個(gè)新的解決方法就是生長(zhǎng)沒(méi)有微管缺陷的Lely晶體，只在襯底頂部有極少的缺陷。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，使用常規(guī)襯底的pn結(jié)整流器件時(shí)，200A/cm²的正向電流并沒(méi)有引起器件任何的性能退化。現(xiàn)在，4H-SiC外延生長(zhǎng)技術(shù)已經(jīng)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，通過(guò)減少材料缺陷密度可以生產(chǎn)無(wú)漂移PiN結(jié)構(gòu)。初步的研究結(jié)果表明，材料缺陷的減少直接與獲得高成品率的無(wú)漂移SIC PIN二極管相關(guān)。
 
  現(xiàn)在，有很多種方法可以改進(jìn)V_F的退化。不同方法產(chǎn)生無(wú)退化器件的成品率不同，有些方法的無(wú)退化成品率可以達(dá)到86%。各種無(wú)退化的工藝過(guò)程，有些可以使器件沒(méi)有任何漂移，少數(shù)只有很小的漂移并且很快就趨于穩(wěn)定。但是，有些工藝過(guò)程卻降低了擊穿電壓的成品率。最近，一種新的低基面位錯(cuò)(BPD工藝顯示了其在所有方面都有明顯提高，擊穿和漂移的成品率分別為35%和70%。圖5和6顯示了50A 10kV 4H-SiC PIN二極管的典型的低退化率。  
  值得注意的是，即使功率密度(正向電流乘以V_F)達(dá)到與pn結(jié)二極管接近的水平，也沒(méi)有在肖特基二極管單極器件中觀察到這樣的現(xiàn)象。數(shù)據(jù)顯示，與層錯(cuò)相關(guān)的正向偏壓退化出現(xiàn)在雙極SiC器件，如晶閘管、GTO、PiN二極管和雙極結(jié)晶體管(BJT)中，然而對(duì)于單極開(kāi)關(guān)器件，如MOSFET和JFET，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)類似的情況。這些位錯(cuò)的擴(kuò)散隨電流密度增加。更高的溫度和更厚的外延層也會(huì)導(dǎo)致更高的位錯(cuò)形成率。探針刮痕、芯片切割線和pn結(jié)二極管上的硅化物接觸都被認(rèn)為是位錯(cuò)遷移和擴(kuò)散的成核點(diǎn)。



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